Motivationale Variablen und Wissenserwerb beim Lernen an Stationen zum Thema "Vogelflug und Auftrieb im
Biologieunterricht"
Dissertation
zur Erlangung des Grades eines Doktors der Naturwissenschaften
- Dr. rer. nat. -
der Fakultät für Biologie, Chemie und Geowissenschaften der Universität Bayreuth
vorgelegt von Diplom-Biologin
Heike Sturm 2007
angefertigt.
Vollständiger Abdruck der von der Fakultät für Biologie, Chemie und Geowissenschaften der Universität Bayreuth zur Erlangung des akademischen Grades eines Doktors der
Naturwissenschaften genehmigten Dissertation.
Promotionsgesuch eingereicht am: 3. September 2007 Wissenschaftliches Kolloquium am: 10. Dezember 2007
Prüfungsausschuss:
Prof. Dr. Franz X. Bogner (1. Gutachter) Prof. Dr. K. Dettner (2. Gutachter) Prof. Dr. S. Klautke
Prof. Dr. K.H. Hoffmann Prof. Dr. B. Westermann
Zunächst bedanke ich mich bei Prof. Franz X. Bogner für die gute Betreuung meiner Promotion, für seine Anleitung zum selbstständigen wissenschaftlichen Arbeiten und seine ständige Verfügbarkeit bei Fragen, auch während seiner EU-Auslandsaufenthalte.
Auch bedanke ich mich bei Prof. Siegfried Klautke für seine anregenden Ideen, vor allem in der Anfangsphase der Promotion.
Ebenso bedanke ich mich bei allen Mitarbeitern des Lehrstuhls, insbesondere bei Frau Sabine Hübner und Herrn Reinhard Tutschek für ihre Hilfsbereitschaft bei allerlei Fragen.
Mein besonderer Dank gilt Herrn Franz-Josef Scharfenberg für seine vielfältigen Vorschläge bei Fragestellungen, seine Hilfe bei der Einarbeitung in die statistische Auswertung und insgesamt für seine stets positive Einstellung zum Gelingen der Arbeit.
Das EU-Projekt "CONNECT: Designing the Classroom of Tomorrow by using Advanced Technologies to connect formal and informal learning environments" ermöglichte die vorliegende Arbeit durch finanzielle Unterstützung. Weiterhin konnte das in den Stationen verwendete Flügelmodell gemäß der Vorlage im Science Center "@Bristol" nachgebaut werden.
Sehr dankbar bin ich meinem Ehemann Gerd Sturm und meinen Eltern und Geschwistern für ihre stetige Unterstützung und Motivation.
1 Summary ... 1
2 Zusammenfassung ... 2
3 Ausführliche Zusammenfassung ... 3
3.1 Einleitung und Untersuchungsdesign ... 3
3.2 Ergebnisse und Diskussion ... 12
4 Literaturverzeichnis der Zusammenfassung ... 19
5 Publikationsliste ... 23
6 Darstellung des Eigenanteils ... 24
7 Teilarbeiten ... 25
7.1 Teilarbeit A ... 25
7.2 Teilarbeit B ... 45
7.3 Teilarbeit C ... 63
8 Anhang ... 81
8.1 Arbeitsheft zu den Lernstationen ... 81
8.2 Die Lernstationen im Einzelnen ... 99
8.3 Bilder des Stationenlernens ... 108
8.4 Informationsheft "Schlauer Uhu" ... 109
8.5 Wissenstest ... 119
8.6 Motivationstest und Semantisches Differential ... 125 Erklärung
Bird flight is a complex subject and a difficult issue to teach in a school classroom. Open learning environments might overcome these difficulties. This study investigated different approaches of open learning environments with regard to the most effective learning environment to teach this subject to 6th graders of highest stratification level ("Gymnasium").
In this sense, "effective" includes the cognitive learning outcome and the motivation of the students.
Open learning environments comprise three dimensions: a thematic dimension, a methodological dimension and the institutional domain. In this study, the thematic level is given by the appropriate subject. Regarding the methodological level, two different instructional approaches were applied: a student-oriented versus a teacher-centred approach.
Concerning the institutional domain, a student-oriented approach was implemented in two different locations: in a natural museum and in classrooms. The student-oriented approach followed a learning at workstations. Due to a lack of adequate hands-on experiments to investigate aerodynamic features of different formed bodies, a specific hands-on model was developed and included as one of the workstations.
A considerable learning effect and a highly affective impact on the participating students was observed when experimenting with the hands-on model. Thus, the model is perceived to be of potential value for an implementation in school. The empirical evaluation of the different approaches showed following results: comparing the student-oriented and the teacher-centred approach, the latter outperformed the student-oriented approach in the learning outcome. However, when working on the learning stations the students indicated higher motivation scores. Considering the institutional openness of the learning environment, a comparison of the museum and the classroom environments resulted in a higher learning success of the museum group, but with equal motivational statements of the students.
Although the teacher-centred group showed a higher learning effect than the student- oriented approach, both instructional approaches increased significantly the cognitive knowledge. Because of the overall higher motivation, the student-oriented approach consisting of learning at workstations was considered to be the most effective learning environment to teach the difficult subject of bird flight and lift. In addition, an excursion in an out-of-school setting might enrich the curriculum based subject.
"Vogelflug und Auftrieb" ist ein komplexes und nicht leicht zu unterrichtendes Thema in der Schule. Offene Unterrichtsformen könnten dabei das Unterrichten dieses lehrplanbezogenen Themas erleichtern. In dieser Arbeit werden verschiedene Ansätze offener Unterrichtsformen auf ihre Effektivität hin untersucht, das schwierige Thema Schülern der 6. Jahrgangsstufe im Gymnasium möglichst optimal zu vermitteln. "Effektivität" beinhaltet in diesem Sinne den kognitiven Lernerfolg und die Motivation der Schüler.
Offener Unterricht umfasst drei Dimensionen: Eine inhaltliche Dimension, eine methodische Dimension und einen institutionellen Rahmen. Der inhaltliche Bereich ist innerhalb dieser Arbeit bereits durch das Thema festgelegt. Hinsichtlich des methodischen Bereichs wurden zwei unterschiedliche Unterrichtsformen miteinander verglichen: Eine schülerorientierte mit einer lehrerzentrierten Form des Unterrichtens. Den institutionellen Rahmen betreffend wurde die schülerorientierte Unterrichtsform an zwei unterschiedlichen Lernorten durchgeführt: In einem Museum und im Klassenzimmer. Die schülerorientierte Unterrichtsform bestand aus dem Lernen an Stationen. Aufgrund eines Mangels an geeigneten Schülerexperimenten zur Untersuchung der aerodynamischen Eigenschaften verschieden geformter Körper wurde ein entsprechendes Versuch-Modell entwickelt und als eigenständige Lernstation mit integriert.
Die Evaluation dieses Modelleinsatzes im Klassenzimmer zeigte einen deutlichen kognitiven Lernerfolg und eine hohe affektive Wirkung. Demnach wird dem Modell ein hoher potentieller Nutzen für den Einsatz im Unterricht zugeschrieben. Die Evaluation der verschiedenen Instruktionen ergab folgende Ergebnisse: Im lehrerzentrierten Unterricht lernten die Schüler mehr als in der schülerorientierten Unterrichtsform. Jedoch gaben die Schüler des Stationenlernens eine höhere Motivation an. Betrachtet man den institutionellen Rahmen, so zeigte die Museumsgruppe einen höheren Lernerfolg als die Schüler, die das Stationenlernen im Klassenzimmer durchführten. Allerdings lag bei beiden Gruppen die Motivation gleich hoch.
Obwohl der Lernerfolg im lehrerzentrierten Unterricht höher als beim Stationenlernen war, zeigten doch beide Gruppen einen signifikanten Wissenszuwachs. Aufgrund der höheren Motivation wird als optimale Lernumgebung für das schwer zu unterrichtende Thema
"Vogelflug und Auftrieb" eine schülerorientierte Unterrichtsform, nämlich das Stationenlernen, angenommen. Zusätzlich kann ein Unterrichtsgang an einen außerschulischen Lernort das Thema bereichern.
3.1 Einleitung und Untersuchungsdesign
"Wie können Vögel fliegen und warum fallen sie nicht vom Himmel?" Diese und ähnliche Fragen sind nicht leicht zu beantworten – es bedarf schon eines genauen Verständnisses der Physik des Auftriebs, um das Fliegen der Vögel zu erklären. Selbst Physikstudenten haben oft Schwierigkeiten, den aerodynamischen Auftrieb vollständig zu verstehen (Anderson &
Eberhardt, 2001). Gemäß einer didaktischen Reduktion (Killerman, Hiering & Starosta, 2005) beziehen sich viele Lehrer in der Schule auf das Bernoulli-Prinzip, um den Schülern zum Beispiel den Auftrieb am Vogelflügel zu erläutern (Niermann, 1989), obwohl dieses für eine Erklärung des Auftriebs nicht ganz korrekt ist (Anderson & Eberhardt, 2001). Allerdings erspart der aktuelle Lehrplan den Schülern (und den Lehrern) ein genaues physikalisches Verständnis des Auftriebs am Vogelflügel. Dennoch können Aspekte zum Thema "Vogelflug und Auftrieb" im Biologieunterricht oder in "Natur und Technik" vorkommen. Bisher gibt es allerdings nur wenige Experimente, die recht anschaulich einige Aspekte des Fliegens zeigen (Gropengießer, 2001; Liebers, 2004). Die Unterrichtsvorschläge und Versuche beziehen sich dabei eher auf lehrerzentrierten Unterricht mit Demonstrationsexperimenten und weniger auf schülerorientiertes1 Arbeiten. Dies widerspricht jedoch der allgemeinen Forderung nach einer aktiven Integration der Schüler in den Unterrichtsprozess (Berck, 2005). In der Literatur erscheinen hierfür mehrere ähnliche Bezeichnungen2, die im Prinzip alle grundsätzliche Eigenschaften und Methoden des schülerorientierten Unterrichts beschreiben: Demnach sollen Schüler aktiv das Wissen erarbeiten, indem problemorientierte, forschend- und fragend-entwickelnde Verfahren angewendet werden; Das Wissen mit Alltagsbezügen verknüpft wird; Der Lehrer eher als Unterstützer im Lernprozess fungiert und weniger als Vermittler; Fragen und Erfahrungen der Schüler in den Unterrichtsverlauf integriert werden, auch wenn diese von der Unterrichtsplanung abweichen; Allgemein soll der Schüler im Mittelpunkt des gesamten Unterrichtsprozesses stehen (Berck, 2005; Greeno, Collins &
Resnick, 1996; Häußler, Bünder, Duit, Gräber & Mayer, 1998 [p.155]; Schuh, 2004).
"Science by inquiry" ist dabei im englischen Sprachraum ein oft verwendeter Begriff, der im Zusammenhang mit forschend-entwickelnden und fragend-entwickelnden Methoden genannt
1 Die Begriffe "schülerorientiert", "schülerzentriert" (Cuban, 1983) und "lernerzentriert" (Schuh, 2004) werden im Folgenden synonym verwendet.
2 Konstruktivistisches Lernen; Situiertes Lernen; Genetisches Prinzip; Entdeckendes Lernen; "science by inquiry"; Offener Unterricht; "open learning environment";
Hypothesen zu einem Sachverhalt oder Phänomen, das Entwickeln und Durchführen von Experimenten, um Hypothesen zu überprüfen, sowie die Diskussion der Ergebnisse (Bybee, 2000). Diese Fähigkeiten und Fertigkeiten können in lernerzentrierter Umgebung in Schülerexperimenten geübt werden (Finn, Maxwell & Calver, 2002; Hofstein & Lunetta, 2003; Wright, 1992).
Warum besteht aber allgemein die Forderung nach einem lernerzentriertem Unterricht?
Internationale Studien weisen auf viele positive Effekte offener Unterrichtsformen hin:
Schüler in lernerzentriertem Unterricht erreichen höhere (Lern-)Leistungen verglichen mit eher lehrerzentriertem Unterricht (Iwon, 1992). Nach einer Studie von Lord (1997) schneiden Schüler bei kooperativen Lernformen im Durchschnitt besser ab, und auch wird das psychologische und physische Befinden von den Schülern höher bewertet als im herkömmlichen Unterricht (Johnson & Johnson, 1989; Slavin 1990; in Lord, 2001).
Insgesamt fand Lord (2001) in einer Metaanalyse über 300 Studien nur 8% mit negativen Ergebnissen im Zusammenhang mit kooperativen Lernformen. Neben kognitiven Effekten weisen viele Studien auch affektive Beeinflussungen nach: Demnach bewerteten Schüler ihr Wohlbefinden im lernerzentrierten Unterricht signifikant höher als im lehrerzentrierten Unterricht (Randler & Bogner, 2006; Schaal & Bogner, 2005), gleiches gilt für die Alltagsbezogenheit des Biologiestoffes (Schaal & Bogner, 2005). Auch können soziale Kompetenzen und Schlüsselqualifikationen in schülerorientierter Lernumgebung leichter trainiert werden als in eher traditionellem Unterricht (Lord, 2001).
Ein nicht zu vernachlässigender Aspekt ist die Motivation der Schüler. Nach der Selbstbestimmungstheorie kann Motivation gesteigert werden, indem die Autonomie oder Selbstbestimmung, die Kompetenz oder Wirksamkeit und die soziale Eingebundenheit gefördert werden (Deci & Ryan, 1993; Grolnick & Ryan, 1989; Ryan & Deci, 2000;
Williams & Deci, 1996). Gerade lernerzentrierte Unterrichtsformen können diese drei psychologischen Komponenten begünstigen, und schließlich zu einem höheren Lernerfolg und zu einer "psychischen Entwicklung" der Schüler beitragen (Black & Deci, 2000).
Das "Lernen an Stationen" ist eine schülerorientierte oder offene Unterrichtsform (Bauer, 2003), bei der die genannten Aspekte weitgehend verwirklicht werden können:
Schüler arbeiten selbstständig in kleinen Gruppen an verschiedenen Lernstationen, geleitet durch ein Arbeitsheft oder Arbeitsblätter. Nach Beendigung der Aufgabe(n) einer Station wechselt die Gruppe selbstständig an eine nächste, freie Station ihrer Wahl. Die Lehrperson
individuellem Lerntempo und eine freie Wahl der Reihenfolge der Stationen, mit geringer oder keiner Intervention der Lehrperson (Hepp, 1996, 1999a; Schaal & Bogner, 2005).
Gerade im naturwissenschaftlichen Unterricht eignen sich auch Schülerexperimente als Stationen. Die einzelnen Experimente können so aufgebaut werden, dass gemäß "science by inquiry" die Schüler zuerst Hypothesen zu einem Sachverhalt aufstellen, diese in einem oder mehreren Experimenten überprüfen und anschließend deren Ergebnisse interpretieren und diskutieren. Dadurch können Schüler beim Stationenlernen wissenschaftliches Arbeiten erlernen und üben (Wright 1992, Killermann 1998). Auch die Inhalte der Stationen, d.h. der Lernstoff an sich, kann über das selbstständige Erarbeiten besser verstanden und behalten werden: Kognitive Studien zeigen, dass Lernen ein aktiver Prozess ist (Häußler et al., 1998 [p.155]; Odom & Kelly, 2001). Darüber hinaus sollten sich das eigene Experimentieren und kooperatives Arbeiten in der Gruppe positiv auf die Motivation der Lernenden auswirken (Schaal & Bogner 2005). Auch ist das Interesse der Schüler an Schülerversuchen meist größer als an Demonstrationsversuchen (Berck, 2005). Neben potentiellen kognitiven und motivierenden Auswirkungen ist das Lernen an Stationen auch nützlich, wenn in einer Schule bestimmte Medien nur in begrenztem Umfang vorhanden sind, wie z.B. Modelle oder Mikroskope.
Aus Mangel an schülerorientierten Experimenten zum Thema "Vogelflug und Auftrieb"
wurden im Rahmen dieser Arbeit Stationen entwickelt, die spezielle Aspekte des Themas beinhalten. Basierend auf den genannten Forschungsergebnissen ist die grundlegende Intention das leichtere Verständnis und Lernen ausgewählter Stoffinhalte zum Thema
"Vogelflug" durch eine aktive Integration in den Unterrichtsprozess. Den Schülern soll durch das selbstständige Arbeiten und eigenes Experimentieren ein leichterer Zugang zu dem schwierigen Thema ermöglicht werden. Zugleich könnten sich gerade die schülerorientierten Aktivitäten motivationssteigernd und dadurch auch positiv auf den Lernerfolg der Schüler auswirken. Dementsprechend wurde in der ersten Studie zunächst die Fragestellung untersucht, ob Schüler beim Stationenlernen zum Thema "Vogelflug" einen größeren Lernerfolg aufweisen und motivierter sind als in einem eher lehrerzentrierten, konventionellen Unterricht.
Obwohl viele Studien (s. oben) positive Auswirkungen von offenen Unterrichtsformen aufzeigen, gibt es aber auch kontroverse Ergebnisse. In einer Untersuchung zur Bestimmung von Vogelarten verglichen Randler und Bogner (2002) den Lernerfolg von Schülern in einem
Wissenszuwachs gleich groß, d.h. es konnte kein Unterschied zwischen dem eher lehrerzentrierten und dem offeneren Unterricht festgestellt werden. Darüber hinaus schnitten in einer Studie von Schaal und Bogner (2005) die Schüler des konventionellen Unterrichts im Nachtest II3 signifikant besser ab als die Schüler, die sich den Unterrichtsstoff zum Sehvermögen des Menschen an Lernstationen aneigneten. Diese Ergebnisse zeigen deutlich, dass schülerorientierte Lernformen nicht generell einen höheren Lernerfolg garantieren.
Gründe hierfür könnten die mangelnde Erfahrung der Schüler im selbstständigen Arbeiten und Experimentieren, oder auch die ungewohnte Lernumgebung sein: Wurden offene Unterrichtsformen noch nicht angewendet, so könnte der "novelty factor" der Lernumgebung4 zu einem ängstlichen Verhalten führen und sich hemmend auf das Lernverhalten auswirken (Kagan & Fasan, 1988; Bohl, 2001; Randler & Bogner, 2002). Eine Einführung in die neue Lernumgebung und in das spezifische Lernmaterial könnte den
"novelty factor" reduzieren (Kubota & Olstad, 1991; Orion & Hofstein, 1994). In bayerischen Schulen wird angeblich das Lernen an Stationen eher unregelmäßig und selten durchgeführt (persönliche Mitteilung von Lehrern). Daher kann davon ausgegangen werden, dass die betreffende offene Unterrichtsform den Schülern eher fremd ist. Aufgrund dieser Annahme wurde in der ersten Studie auch die Frage untersucht, ob eine Einführung in das Arbeitsheft den Lernerfolg beeinflusst. Die Möglichkeit, in der Unterrichtsstunde vor dem Stationenlernen das Arbeitsheft durchzublättern und einzublicken, sollte das Zurechtfinden beim Stationenlernen erleichtern und damit möglicherweise den "novelty effect" reduzieren.
Ziele und Fragestellungen der ersten Studie
Ein Ziel der ersten Studie war zunächst das Stationenlernen zum Thema "Vogelflug"
durchzuführen, sowie den gleichen Stoff auch lehrerzentriert zu unterrichten. Es sollte getestet werden, ob Schüler durch die offene Unterrichtsform mehr lernen und eine höhere Motivation angeben als im lehrerzentriertem Unterricht. Weiterhin wurde überprüft, ob ein vorheriger Einblick in das Arbeitsheft Auswirkungen auf den Lernerfolg der Schüler hat.
Demnach wurden folgende Hypothesen formuliert: (i) durch einen schülerorientierter Unterricht (Lernen an Stationen mit Schülerexperimenten) lassen sich höhere Lernerfolge und eine höhere Motivation der Schüler erzielen als in einem konventionellen Unterricht;
3 Der Nachtest II erfolgte stets sechs Wochen nach der Intervention zur Überprüfung des persistenten Wissens.
4 Die Ablenkung durch eine neue, ungewohnte Lernumgebung.
Ausgangspunkt der Dissertation bestand in dem Bedarf, eine Unterrichtseinheit zu entwickeln, mit der das schwierige Thema "Vogelflug und Auftrieb" schülergerecht vermittelt werden kann. Basierend auf Forschungsergebnissen über positive Effekte von offenem Unterricht (s. oben) wurde in der ersten Studie zunächst eine offene Unterrichtsform, nämlich das Lernen an Stationen, mit einem konventionellen Unterricht verglichen. Nach Bauer (2003) umfasst Offenheit im Unterricht jedoch drei Dimensionen: Den inhaltlichen / thematischen Bereich, den methodischen Bereich und den institutionellen Rahmen. Der inhaltliche Bereich ist in dieser Arbeit durch das Thema Vogelflug gewissermaßen festgelegt, und der methodische Ansatz wurde mit der ersten Studie abgedeckt. Offenheit im institutionellen Rahmen beinhaltet in erster Linie die Einbeziehung von außerschulischen Lernorten (Bauer, 2003). Demgemäß steht nun in der zweiten Studie der Lernort im Mittelpunkt.
Der Unterrichtsgang in ein Naturkundemuseum, einen Zoo, oder in einen botanischen Garten, kann den herkömmlichen Unterricht im Klassenzimmer in vielerlei Hinsicht bereichern. Manche Anschauungsobjekte können in der Schule nicht gezeigt, beobachtet oder studiert werden, wie z.B. exotische oder größere heimische Tiere. Auch eine Begegnung mit Naturobjekten und Phänomenen kann oft nur außerhalb des Klassenzimmers stattfinden.
Neben der rein praktischen Betrachtung spielen aber vor allem affektive Komponenten des außerschulischen Curriculums eine große Rolle. Im Gegensatz zur Situation im Klassenzimmer können sich die Schüler während Unterrichtsgängen freier und offener bewegen, sozial interagieren und mehr kommunizieren (Hofstein, Nahum & Shore, 2001;Wellington, 1990). Nicht zuletzt aus diesem Grund empfinden die meisten Schüler außerschulischen Unterricht als erfreulicher und ein wenig abenteuerlich. Im Klassenzimmer eher zurückhaltende und unmotivierte Schüler können außerhalb der Schule unter Umständen
"aufblühen", motivierter und engagierter sein (Nundy, 2001). Mit der Motivation steigt normalerweise auch die Lernleistung eines Schülers (Falk, 2004). So kann der offene und inoffizielle Rahmen von außerschulischen Lernorten das Lernen initiieren und fördern (Falk
& Dierking, 2000). Insgesamt lohnt es sich daher für Lehrer, den herkömmlichen Unterricht mit Unterrichtsgängen zu bereichern.
Als außerschulischer Lernort für diese Studie wurde das Naturkundemuseum
"Lindenhof" bei Bayreuth gewählt. Dessen Schwerpunktthema liegt bei "Vögeln" und ihren
Studie nicht darin, die Dioramen oder sonstige Materialien des Museums zu evaluieren.
Vielmehr sollten die Lernstationen zum Thema "Vogelflug und Auftrieb" im Museum aufgebaut und gegenüber dem Stationenlernen im Klassenzimmer getestet werden. Somit unterscheiden sich die beiden Vergleichsgruppen nur im Lernort.
Ziel und Fragestellung der zweiten Studie
Ausgehend von der Frage, wie das Thema "Vogelflug und Auftrieb" im Unterricht besser vermittelt werden kann, untersucht die zweite Studie den Einfluss des Lernortes auf den Lernerfolg und die Motivation der Schüler. Scharfenberg, Bogner und Klautke (2007) fanden einen höheren kognitiven Lernerfolg im Lernort "Labor" als im Klassenzimmer, obwohl in beiden Lokalitäten der gleiche Unterricht stattfand. Basierend auf deren Ergebnissen und den allgemein anerkannten positiven Auswirkungen von außerschulischem Unterricht (s. oben), wurden ein höherer Lernerfolg und eine höhere Motivation der Schüler, die das Stationenlernen im Museum durchführen, postuliert.
Während die ersten beiden Studien eine Unterrichtseinheit mit Stationenlernen zum Thema
"Vogelflug" empirisch untersuchten, wird in der dritten Studie ein neuartiges Versuchs- Modell vorgestellt, mit dem verschieden geformte Körper auf ihre Aerodynamik hin getestet werden können. Wie anfangs erwähnt, sind nur sehr wenige Experimente zum Thema
"Vogelflug" und "Auftrieb" in der Literatur beschrieben, die ohne großen Aufwand im Klassenzimmer durchgeführt werden können. Windkanäle und größere Modelle, die den Auftrieb an Flügeln oder Tragflächen veranschaulichen, sind für Schulen nur bedingt zugänglich. So greifen Lehrer beim Thema "Vogelflug" eher auf klassische Demonstrationsexperimente zurück. Dies widerspricht jedoch der allgemeinen Forderung nach lernerzentriertem Unterricht mit von Schülern selbst durchgeführten Experimenten, gemäß "science by inquiry" (Bybee, 2000; Hofstein & Lunetta, 2003; Hofstein & Rosenfeld, 1996). Doch gerade selbstständiges Erarbeiten ermöglicht einen besseren Zugang zu schweren Stoffgebieten (Finn, et al., 2002; Hofstein & Lunetta, 2003). Durch die Entwicklung des interaktiven Modells soll nun Schülern die Möglichkeit gegeben werden, einen aerodynamischen Aspekt des Fliegens selbstständig zu untersuchen.
Lehrziel des Modells ist die Erkenntnis, dass aerodynamische Körper aufgrund ihrer spezifischen Form bei gleicher "Energieinvestition" eine weitere Strecke zurücklegen als
auch bei technischen Fortbewegungsmitteln. Dieser Gesichtspunkt ist für ein grundlegendes physikalisches Verständnis von Bewegung wichtig und somit fächerübergreifend für Natur und Technik wirksam. Diese Modell, im Folgenden als "Schienenmodell" bezeichnet, wurde als eigenständige Station in das Stationenlernen mit eingebaut. Die Aufgaben umfassten das Aufstellen von Vermutungen zu den entsprechenden Experimenten, die Durchführung der Versuche, das Notieren der Ergebnisse und eine Diskussion der Resultate.
Ziele und Fragestellung der dritten Studie
Ziele der dritten Studie waren die detailgetreue Beschreibung der Konstruktion des Schienenmodells als Anleitung für einen möglichen Nachbau, die Erklärung der physikalischen Grundlagen der Versuche, die Beschreibung der Inhalte der Experimente, sowie der Einsatz und die Evaluation des Schienenmodells. Fragestellungen der Evaluation betrafen die Eignung des Modells für das Verständnis von aerodynamischen Aspekten und die Attraktivität des Schienenmodells aus Sicht der Schüler.
Alle drei Studien befassen sich demnach mit der grundlegenden Frage, wie ein eher schwieriges Unterrichtsthema in Klassen der 6. Jahrgangsstufe des Gymnasiums optimal vermittelt werden kann, wobei sich "optimal" auf den Lernerfolg und die Motivation der Schüler bezieht. Wie ist die "beste" Lernumgebung gestaltet und welche Unterrichtsmethode erzielt die größeren Lernerfolge und motiviert die Schüler am meisten? Die Ansätze der ersten und zweiten Studie waren, eine offene Unterrichtsgestaltung im Hinblick auf die Unterrichtsform und den Lernort zu untersuchen. Die dritte Studie trägt dazu bei, mit der Evaluation des Schienenmodells ein Schülerexperiment insbesondere für Lehrer bereit zu stellen, das einen speziellen Aspekt des Auftriebs behandelt.
Aufgrund dieser übergeordneten Fragestellung wurde folgendes Untersuchungsdesign gewählt (Tabelle 1):
Unterrichtsort *Gruppe 1 *Gruppe 2 *Gruppe 3
gruppe *Gruppe 4 Vortest
(Wissen; Eine Woche vor dem Vorunterricht) Klassenzimmer
(45 min) Vorunterricht
Vorunterricht mit Einblick ins Arbeitsheft
Vorunterricht - Vorunterricht Museum oder
Klassenzimmer (90 min)
Lehrerzentrierter Unterricht im Klassenzimmer
Stationenlernen im Klassenzimmer
Stationenlernen im Klassenzimmer
- Stationenlernen im Museum Nachtest I
(Wissen, Motivation, Semantisches Differential; Unmittelbar nach der Intervention) Nachtest II
(Wissen; Sechs Wochen nach dem Nachtest I)
* Die Gruppenbezeichnungen in dieser Tabelle entsprechen nicht der Bezeichnungen in den einzelnen Studien
Die erste Studie (Teilarbeit A) vergleicht Gruppe 1 mit Gruppe 3 im Hinblick auf die Unterrichtsform, und Gruppe 2 mit Gruppe 3, um den Einfluss einer vorangehenden
"Einführung" in das Arbeitsheft zu testen. In der zweiten Studie (Teilarbeit B) wird der Einfluss des Lernortes durch einen Vergleich der Gruppe 3 mit Gruppe 4 untersucht.
Folgende Gruppen werden nicht verglichen, da jeweils zwei Parameter variieren und somit kein wissenschaftliches Experiment vorliegt: Gruppe 1 mit Gruppe 2, Gruppe 1 mit Gruppe 4 und Gruppe 2 mit Gruppe 4. Eine Kontrollgruppe absolvierte die Tests in der gleichen zeitlichen Abfolge wie die Versuchsgruppen, nahm aber an keiner der Unterrichtseinheiten teil. Von allen Gruppen wurde in einem Vortest zunächst das Vorwissen erhoben. Die darauf folgende Unterrichtseinheit setzte sich aus einem Vorunterricht und dem Stationenlernen, bzw. dem lehrerzentriertem Unterricht zusammen. Der Vorunterricht diente dazu, die Schüler in das Thema "Vögel" einzuführen. Unterrichtsinhalte waren die Anatomie der Vögel und die grundsätzlichen anatomischen Voraussetzungen für das Fliegen. Diese erste Phase der Unterrichtseinheit wurde in allen Gruppen gleichermaßen durchgeführt, mit einer zusätzlichen Phase in Gruppe 2, in der die Schüler die Arbeitshefte kurz einsehen durften. In der jeweils nächsten Unterrichtsstunde fand der zweite Teil der Intervention im Klassenzimmer, bzw. im Museum statt (s. Tabelle 1). Unmittelbar darauf folgte ein Nachtest, der Wissens- und Motivationsfragen, sowie ein "Semantisches Differential" beinhaltete.
Alle drei Wissenstests beinhalteten dieselben Multiple-Choice Fragen, allerdings in einer unterschiedlichen Reihenfolge und auch mit verschiedener Reihenfolge der Antwortmöglichkeiten. Die einzelnen Fragen deckten jeweils die Feinziele der Unterrichtseinheit ab. Die Motivationsfragen stammten aus einer standardisierten Skala, der
"Intrinsic Motivation Inventory" (Ryan, Koestner & Deci, 1991; Deci, Eghrari, Patrick, &
Leone, 1994). Insgesamt vier Subskalen wurden daraus verwendet. Bei einem "Semantischen Differential" handelt es sich um ein Skalierungsinstrument, mit dem die konnotative Bedeutung bzw. die affektiven Qualitäten von Gegenständen oder Begriffen gemessen werden können (Bortz & Döring, 2003). Auf bipolaren Rating-Skalen stufen Probanden ihren affektiven Bezug zu einem zu wertenden Objekt oder Begriff ein. In dieser Arbeit wurde ein Semantisches Differential zur affektiven Bewertung des Schienenmodells verwendet.
Zusätzlich wurden die Aufgaben zu dem Schienenmodell der Arbeitshefte qualitativ ausgewertet.
Im folgenden Kapitel werden nun die einzelnen Ergebnisse der Studien im Hinblick auf deren Fragestellungen, sowie der übergeordneten Frage der Dissertation vorgestellt und in einer kurzen Form diskutiert.
Die Ergebnisse der Einzelstudien tragen letztendlich alle dazu bei, die grundlegende Frage dieser Dissertation nach einer optimalen Lernumgebung des eher schwer zu unterrichtenden Themas "Vogelflug und Auftrieb" zu beleuchten. Wie viele Forschungsergebnisse zeigen (s.
Einleitung), kann ein offener Unterricht den Lernerfolg und die Motivation steigern. So wurde in der ersten Studie zunächst die Art der Instruktion, nämlich eine offene Unterrichtsgestaltung in Form von Stationenlernen mit einer traditionellen Form, dem lehrerzentrierten Unterricht, verglichen. Es stellte sich heraus, dass entgegen der ersten Hypothese lehrerzentrierter Unterricht einen signifikant höheren kognitiven Lernerfolg – auch langfristig – erzielt, verglichen mit dem Lernen an Stationen. Dieses Ergebnis widerspricht vielen (eingangs erwähnten) Studien, die kooperativen und eher offenen Lernformen einen höheren kognitiven Erfolg und positivere Auswirkungen zusprechen.
Dementsprechend wird von vielen Seiten grundsätzlich ein höherer Anteil an offener Unterrichtsgestaltung favorisiert und gefordert (z.B. Kultusministerium, Lehrerverbände).
Dass jedoch offene Unterrichtsformen nicht generell einen höheren Lernerfolg versprechen, konnte bereits in einer Studie von Schaal und Bogner (2005) gezeigt werden. Ein Grund für den geringeren Lernerfolg beim Stationenlernen könnte in der mangelnden Erfahrung mit schülerorientierten Unterrichtsformen liegen. Das Formulieren von Hypothesen, die selbstständige Durchführung von Experimenten und die Diskussion der Ergebnisse beansprucht hohe Fertigkeiten und Fähigkeiten der Schüler, die sie möglicherweise überfordern und dadurch in ihrem Lernen einschränken (Schaal & Bogner, 2005). Eine weitere Ursache für das schlechtere Abschneiden des Stationenlernens könnte in einer zu hohen Anzahl zu bearbeiteter Stationen liegen. In einer ersten Studie zur Fähigkeit, Vögel zu erkennen, fanden Randler und Bogner (2002) keine Unterschiede zwischen einem schülerorientierten und einem konventionellen Unterricht. Wurde jedoch eine geringere Anzahl an zu bestimmenden Vögeln verwendet, so lernten die Schüler der Experimentalgruppe mehr als in der lehrerzentrierten Gruppe (Randler & Bogner, 2006). So könnte eine Reduzierung der Stationen zu einem besseren Abschneiden dieser Lernform führen. Schließlich könnte der geringere Lernerfolg beim Stationenlernens auch an einer völlig profanen Ursache liegen: Mit dem Ziel vor Augen, über "freie" Zeit am Ende der Unterrichtsstunde zu verfügen, könnten Schüler die Stationen in einer weniger sorgfältigen Art und Weise bearbeitet und dadurch weniger gelernt haben als im geführten, lehrerzentrierten Unterricht.
Deci et al., 1994) an. Das Ergebnis ist nicht sonderlich überraschend wenn man bedenkt, dass diese Art des offenen Unterrichts den Schülern viel Autonomie und Selbstbestimmung verschafft und dadurch motivationale Aspekte gefördert werden können (Black & Deci, 2000). So arbeiteten die Schüler in Gruppen, jedoch selbstständig und in dem von ihnen gewählten Tempo an den Lernstationen, und sie konnten die Reihenfolge der Stationen selbst wählen. Nach Hofstein und Lunetta (2003) ist Experimentalunterricht auch ein wichtiges Medium, um Interesse und Freude am Unterrichtsstoff zu wecken und zu steigern und letztendlich die Schüler für den naturwissenschaftlichen Unterricht nachhaltig zu begeistern.
Neben der Unterrichtsform wurde in der ersten Studie auch die Frage nach dem Einfluss einer Einführung in das Arbeitsheft untersucht. Die Schüler konnten in der Stunde vor dem eigentlichen Stationenlernen das Arbeitsheft durchblättern. Nach spätestens 15 Minuten wurde es von der Lehrkraft wieder eingesammelt. Diese Gruppe schnitt im Nachtest I und Nachtest II signifikant besser ab als die Vergleichsgruppe, die vorab keinen Einblick in das Arbeitsheft hatte. Das Ergebnis muss allerdings in zweierlei Hinsicht kritisch beleuchtet werden: Zum Einen war die Stichprobe der Gruppe, die eine Einführung hatte, mit nur 30 Schülern sehr gering. Es könnte sich um eine Klasse gehandelt haben, die durchschnittlich besser abschneidet als andere Klassen. Zum Anderen ist Vorsicht geboten, den höheren Lernerfolg mit einem reduzierten "novelty effect" zu erklären. Da die Lernsituation für die meisten Schüler neu oder zumindest ungewohnt war, könnte diese neue Lernumgebung die Schüler von dem Unterrichtsstoff aufgrund der "cognitive novelty" und der "psychological novelty"6 ablenken (Orion & Hofstein, 1994). Nach Hofstein und Rosenfeld (1996) kann jedoch eine gute Vorbereitung und Einführung die "Vertrautheit" mit der neuen Lernumgebung fördern und letztendlich das Lernen erleichtern.
Ein interessanter Aspekt der ersten Studie sollte noch angesprochen werden: In der Gruppe, die das Stationenlernen ohne Einführung in das Arbeitsheft durchführte, war der Lernerfolg im Nachtest II signifikant höher als im Nachtest I, der unmittelbar nach der Intervention erfolgte. Da für jede teilnehmende Klasse zwischen dem Nachtest I und dem Nachtest II sechs Wochen lagen und gemäß dem Untersuchungsdesign keine Intervention mehr stattfand, sollte eigentlich weniger Wissen vorhanden sein als im Nachtest I. Eine
5 Auf der von 1 bis 5 reichenden Skala bedeutet der Wert 5 die positivste Bewertung des Items.
6 Orion und Hofstein (1994) beziehen auch noch eine "geographical novelty" als dritten Faktor mit ein; Dieser dürfte jedoch hier keine Rolle spielen, da beide Gruppen das Stationenlernen im Klassenzimmer durchführten.
Beide Klassen stammten aus derselben Schule und wurden von demselben Biologielehrer unterrichtet. Nun liegt es nahe, anzunehmen, dass dieser Lehrer innerhalb der Zeitspanne zwischen dem Nachtest I und Nachtest II Aspekte zum Thema "Vögel" durchgenommen oder wiederholt hatte, wie auch in einer Studie von Scharfenberg et al. (2007) zu sehen war. Fazit ist die Erkenntnis, dass trotz einer Vorbereitung der Studienteilnehmer und der Betonung der Wichtigkeit, Anweisungen genau zu befolgen, man nie mit Sicherheit einen zusätzlichen Eingriff der Teilnehmer ausschließen kann.
In der zweiten Studie wurde die Frage nach dem Einfluss des Lernortes auf den Lernerfolg und die Motivation untersucht. Die Schüler, die das Stationenlernen im Museum durchführten, schnitten im Nachtest I und im Nachtest II signifikant besser ab als jene, die das Lernen an Stationen im Klassenzimmer absolvierten. Offensichtlich wirkte sich ein Wechsel in einen außerschulischen Bereich positiv auf das Lernverhalten der Schüler aus.
Hierfür könnten mehrere Gründe ursächlich sein: Zunächst bedeutet ein Unterrichtsgang eine Unterbrechung und eine Abwechslung im Schulalltag; Die ungewöhnliche Lernumgebung ist oft neu für die Schüler und bringt viele neue Erfahrungen mit sich (Falk & Dierking, 2002;
Kisiel, 2003; Tran, 2006). Weiterhin können die Schüler in einem höheren Maße interagieren (Anderson, 1999). Unterrichtsgänge werden auch der Forderung nach variierenden Unterrichtsmethoden gerecht (Hofstein et al., 2001; Hofstein & Rosenfeld, 1996), die das Lehren und Lernen im Allgemeinen bereichern. Nicht zuletzt haben außerschulische Lernorte das Potential, mit Ausstellungen und Experimenten den Schulunterricht zu ergänzen und Aspekte anzusprechen, die in dieser Form im Klassenzimmer nicht durchzuführen wären (Anderson & Zhang, 2003; Kisiel, 2003; Tran, 2006). Alle diese Faktoren können dazu beitragen, das Interesse und die Motivation für ein nachhaltiges Engagement in einem Sachgebiet zu fördern und letztendlich das Lernen zu erleichtern (Paris, Yambor & Packard, 1998; Griffin, 2004).
Allerdings muss man bedenken, dass die genannten Faktoren teilweise auch auf die Vergleichsgruppe zutreffen, die das Stationenlernen im Klassenzimmer durchführten, denn die Unterrichtsform des Stationenlernens stellt eine andere Unterrichtsmethode dar als der konventionelle Unterricht. Das Stationenlernen an sich ist schon eine schülerorientierte Methode, bei der ein hohes Maß an sozialer Interaktion vorkommen kann. So könnte der informelle Charakter des außerschulischen Lernortes "Museum" maßgeblich zu einem höheren Lernerfolg dieser Gruppe beigetragen haben.
Subskala der "Intrinsic Motivation Inventory" signifikant unterschieden, nämlich der
"Wahrgenommenen Kompetenz". Die Mediane lagen jedoch alle über dem Durchschnitt und zeigen somit eine hohe Motivation beider Gruppen an. Dies ist insofern nicht verwunderlich, da Stationenlernen an sich schon eine aktivitätsorientierte (Hepp, 1999a), lernerzentrierte und selbstständige Arbeitsmethode ist (Odom & Kelly, 2001), die Interesse und Freude am Unterrichtsstoff fördern und letztendlich die Schüler auch für das Lernen im naturwissenschaftlichen Unterricht motivieren kann (Hofstein & Lunetta, 2003).
Die Ergebnisse der zweiten Studie könnten nun als eine Aufforderung gedeutet werden, Unterricht, der eigentlich in der gleichen Form auch im Klassenzimmer stattfinden könnte, in einen außerschulischen Lernort zu verlagern. Die Studie zeigt jedoch in erster Linie, dass Unterricht außerhalb des Klassenzimmers Auswirkungen auf das Lernverhalten der Schüler haben kann, möglicherweise durch den informellen Charakter des außerschulischen Lernortes. Für Lehrer ist es demnach lohnend, Unterrichtsgänge in ihre Unterrichtsgestaltung mit einzubeziehen. Bei außerschulischen Veranstaltungen fehlt jedoch oft der Bezug zu den Stoffinhalten des Lehrplans, oder Lehrer sind kaum und nicht ausreichend vorbereitet, um Ausstellungen in das gerade behandelte Thema sinnvoll zu integrieren (Griffin & Symington, 1997). So sind Unterrichtsgänge, was das Lernergebnis betrifft, nicht selten uneffektiv (Hofstein & Rosenfeld, 1996). Hier konnte man nun sehen, dass mit guter Vorbereitung und einer Integration des Themas in den Schulunterricht auch im außerschulischen Bereich Lernen stattfinden kann, und vielmehr es sogar möglich ist, höhere Lernerfolge zu erzielen als im Klassenzimmer.
Im Rahmen dieser Arbeit wurden Lernstationen zusammengestellt und ein Versuch- Modell entwickelt, um dem Mangel an Experimenten zum Thema "Vogelflug und Auftrieb"
entgegenzuwirken und ein leichteres Lernen dieses eher schwierigen Themas zu ermöglichen.
So stellt nun die dritte Studie unter anderem die Ergebnisse der Evaluation des Schienenmodells vor. Mittels eines Semantischen Differentials wurde die affektive Wirkung des Modells auf die Schüler untersucht. Eine Faktorenanalyse (Principal Component Analysis, PCA) ermittelte zwei Faktoren, die insgesamt 63% der Varianz erklären und von den Schülern insgesamt sehr hoch bewertet wurden. Einer der beiden Faktoren ("easiness") umfasst die Items "klar", "einfach" und "einfach zu verstehen". Der zweite Faktor ("efficacy") beinhaltet die Items "wichtig", "interessant", "motivierend", "unverzichtbar" und
"nützlich". Offensichtlich empfanden die Schüler das Modell als gut verständlich und vor
Schienenmodell in den Arbeitsheften ergab folgendes Ergebnis: 28 von 60 Schülern7 bearbeiteten alle fünf Teilaufgaben richtig. Die Aufgaben 3 bis 5 wurden von 40 Schülern richtig bearbeitet. Dabei handelte es sich um die Ausführung des Experiments (Aufgabe 3), dessen anschließende Diskussion (Aufgabe 4) und die Angabe einer Begriffserklärung (Aufgabe 5). Zwölf Schüler hatten demnach die Aufgaben 1 und 2 falsch bearbeitet, jedoch anschließend das Experiment "richtig" durchgeführt und auch die Aufgaben 4 und 5 richtig beantwortet. Dies könnte entsprechend als ein Lerneffekt durch das Experimentieren interpretiert werden. Trotz der erfreulichen Ergebnisse könnte meiner Meinung nach ein tieferes und besseres Verständnis der Versuche und Aussagen des Schienenmodells erreicht werden, wenn eine abschließende Diskussion der Aufgaben mit dem Lehrer stattfinden würde. Unklarheiten wären zu beseitigen, wie z. B. falsche Schlussfolgerungen mancher Schüler aufgrund von Missverständnissen über das Funktionsprinzip des Versuchs. Zudem sollte das Modell an sich noch verbessert werden: Obwohl die Körper mit Gewichten austariert wurden, gaben Schüler für die verschiedenen Messwerte fälschlicherweise das unterschiedliche Gewicht, bzw. die unterschiedliche Größe der Körper an.
Trotz weiterer Modifizierungsmöglichkeiten des Modells und der Experimentgestaltung zeigen die Ergebnisse den potentiellen Nutzen einer Anwendung des Schienenmodells im Unterricht. Die Schüler bearbeiten die Aufgaben und Schülerexperimente weitgehend selbstständig und lernen dabei auch wissenschaftliches Arbeiten (Finn, et al., 2002). Ebenso wie Unterrichtsgänge bedeuten von den Schülern eigenständig durchgeführte Experimente eine Abwechslung im normalen Schulalltag (Kisiel, 2003). Die weniger formelle Atmosphäre kann auch die Ausbildung von sozialen Schlüsselqualifikationen fördern (Hofstein &
Lunetta, 1982; Lazarowitz & Tamir, 1994). Neben der affektiven Komponente kann das Arbeiten am Schienenmodell auch kognitive Effekte begünstigen. Während der Fokus im Biologieunterricht eher auf der Aerodynamik verschiedener Formen liegen kann, wäre im höheren Physikunterricht die Berechnung der cw- oder Fw-Werte8 möglich. Das Modell kann mit wenig Zeit- und Geldaufwand hergestellt werden, was ideale Voraussetzungen für die Verwirklichung in einem Klassenprojekt, einer Studien- oder Facharbeit sind. Insgesamt lohnt es sich daher, das Schienenmodell nachzubauen und im Schulunterricht anzuwenden.
7 Es wurde nur jeweils das Arbeitsheft eines Schülers pro Gruppe in die Bewertung mit einbezogen, da Gruppenmitglieder meist dieselben Antworten eintrugen (Näheres siehe dritte Veröffentlichung).
8 Der cw-Wert ist der Widerstandsbeiwert eines Körpers. Unter Fw-Werte werden hier die Widerstandskräfte der einzelnen Körper verstanden (Siehe dritte Veröffentlichung).
besser ab als das Stationenlernen, jedoch zeigt ein Vergleich von Vortest und Nachtest bei beiden Gruppen einen signifikanten Unterschied. Demnach hatten auch die Schüler des Stationenlernens einen Wissenszuwachs, der über das Basiswissen aus dem Vortest hinaus geht. Betrachtet man auch die Motivation der Schüler, so eignet sich für das behandelte Thema sicher eine eher offene Unterrichtsgestaltung. Nicht zuletzt auch deshalb, weil Lehrpläne nicht mehr nur das Lernen von möglichst vielen Fakten vorschreiben, sondern mehr Wert auf das grundlegende Verständnis von biologischen Sachverhalten und Zusammenhängen, sowie auf die Ausbildung von wissenschaftliche Schlüsselqualifikationen legen.
Das Stationenlernen an einen außerschulischen Lernort zu verlegen, wäre natürlich aufgrund des hohen Aufwandes für den einzelnen Lehrer nicht praktikabel. Jedoch kann die Unterrichtseinheit durch einen (gut vorbereiteten) Unterrichtsgang, z.B. in ein nahes Vogelschutzgebiet, bereichert werden. Allerdings muss man auch bedenken, dass der zeitliche Rahmen eines Biologielehrers sehr begrenzt ist und deshalb schülerorientierte Unterrichtsformen und Unterrichtsgänge wohl eher die Ausnahme bleiben werden (Angeli, 2002; Bohl, 2001). Bohl (2001) berichtet zudem von einem Mangel an Wissen und Übung in der Vorbereitung und Durchführung von offenen Unterrichtsformen seitens der Lehrer. Eine regelmäßige Integration von schülerorientierten Arbeitsformen könnte so nicht nur den Schülern, sondern auch dem Lehrer zugute kommen.
Nach den Ergebnissen der dritten Studie zu urteilen, ist die Integration des Schienenmodells in den Unterricht sicher sinnvoll, sei es als Station in einem Lernzirkel oder als Einzelexperiment. Da "Lernen" ein aktiver Konstruktionsprozess ist (Greeno et al., 1996), sollten eben "inquiry-based" Komponenten in den Unterricht integriert werden (Häußler et al., 1998). Hierzu gehören, wie bereits erwähnt, das Aufstellen von Fragen und Hypothesen, das Entwerfen und Durchführen von Experimenten und deren Diskussion (Bybee, 2000).
Diese Fähigkeiten und Fertigkeiten könnten in selbst durchgeführten Experimenten geübt werden (Finn et al., 2002; Wright, 1992). Das Stationenlernen fördert demnach auch affektive und psychomotorische Kompetenzen der Schüler.
Basierend auf den Ergebnissen der drei Studien und in Übereinstimmung mit verschiedenen Literaturhinweisen zum Stationenlernen sollten bei dieser Form des Unterrichts unter anderem folgende Punkte beachtet werden: Grundvoraussetzung für eine effektive Integration der Stationen in ein Unterrichtsthema ist eine wohlüberlegte Auswahl
durchzunehmen als viele Punkte nur oberflächlich thematisch anzuschneiden (Hofstein &
Lunetta, 2003). Eine einführende oder vorbereitende Stunde kann Interesse für ein Thema wecken und letztendlich zu einer aktiven Anteilnahme am Unterricht motivieren (z.B.
Csikszentmihalyi, 1988). Nach Ames (1992) kann Interesse und Lernen auch leichter initiiert werden, wenn verschiedenartige Aufgaben integriert werden. Für das Stationenlernen würde das z.B. bedeuten, an manchen Stationen die visuelle Sinnesmodalität anzusprechen, an anderen Stationen die auditive Sinnesmodalität. Um das Verständnis der Experimente und Aufgaben zu gewährleisten, sollten Reflektionsphasen mit eingebaut werden (Van den Akker, 1998). Dies könnte sich allerdings aufgrund der unterschiedlichen Arbeitsgeschwindigkeiten der Gruppen als nicht effektiv erweisen. Effizienter könnte eine abschließende Besprechung und gemeinsame Korrektur der Arbeitshefte auf Klassenebene sein (weitere Ratschläge zum Lernen an Stationen siehe Hepp, 1996, 1999b).
Das Zeitbudget eines Lehrers ist meist eng begrenzt. Es sollte die Lehrer jedoch nicht davon abhalten, den konventionellen Frontalunterricht mit offenen Unterrichtsformen zu bereichern. Nach Killermann (1998) kann man nicht erwarten, mit nur einer Methode das beste Resultat hinsichtlich des Lernerfolges und der Motivation zu erreichen. Mit einer Mischung aus verschiedenen Methoden und abwechselnden Unterrichtsformen sollten die optimalsten Effekte bezüglich des Lernerfolges, aber auch der Einstellung zum, dem Interesse an und der Freude am Lernen zu erwarten sein. Diese Erkenntnis ist nicht neu, sollte aber stets von Neuem betont werden.
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A Sturm, H., & Bogner, F.X. (2007).
Student-oriented versus teacher-centred: The effect of learning at workstations about birds and bird flight on cognitive achievement and motivation.
International Journal of Science Education, im Druck
B Sturm, H., & Bogner, F.X.
Learning at workstations in two different environments: a museum and a classroom.
Curator, eingereicht
C Sturm, H., Sturm, G., & Bogner, F.X.
Track Model: A proposal of an interactive exhibit to learn aerodynamics.
The American Biology Teacher, eingereicht
Im Zeitrahmen der Doktorarbeit entstand außerdem folgende Publikation über meine Diplomarbeit, die nicht Teil der Dissertation ist:
D Foitzik, S., Sturm, H., Pusch, K., D'Ettorre, P., & Heinze, J. (2007).
Nestmate recognition and intraspecific chemical and genetic variation in Temnothorax ants.
Animal Behaviour, 73(6), 999-1007.
A [Ca. 75% Eigenanteil, 25% Prof. Bogner] Die Unterrichtseinheit sowie alle Lernstationen wurden von mir entwickelt und aufgebaut (zu den einzelnen Stationen s.
Anhang). Der Vorunterricht und der lehrerzentrierte Unterricht wurden von den Biologielehrern der Klassen gehalten. Das Stationenlernen wurde unter meiner Aufsicht durchgeführt. Die statistische Auswertung der Daten erfolgte ausschließlich von mir.
Die Publikation wurde hauptsächlich von mir formuliert.
B [Ca. 75% Eigenanteil, 25% Prof. Bogner] Der Vorunterricht wurde von den Biologielehrern der Klasse gehalten. Die Lernstationen im Museum, sowie im Klassenzimmer wurden von mir selbst aufgebaut, und das Stationenlernen erfolgte unter meiner Aufsicht. Alle statistischen Auswertungen wurden von mir durchgeführt. Formuliert wurde die Publikation hauptsächlich von mir.
C [Ca. 50% Eigenanteil, 25% Gerd Sturm, 25% Prof. Bogner] Das Schienenmodell wurde von Gerd Sturm und mir konstruiert und gebaut. Die quantitative Auswertung der Daten wurde von mir durchgeführt. Bei der qualitativen Auswertung war Catherine Conradty bei der objektiven Überprüfung der Datenauswertung (Objektivitätstest) beteiligt. Die schematische Graphik des Schienenversuchs (Vektorgraphik, Abb. 2 in Publikation) wurde von Gerd Sturm nach meiner Skizze konstruiert. Die Publikation wurde hauptsächlich von mir formuliert.
7.1 Teilarbeit A
A
Sturm, H., & Bogner, F.X. (2007).
Student-oriented versus teacher-centred: The effect of learning at workstations about birds and bird flight on cognitive achievement and motivation.
International Journal of Science Education, im Druck
Vol. 00, No. 0, Month 2007, pp. 1–19
ISSN 0950-0693 (print)/ISSN 1464-5289 (online)/07/000001–19
© 2007 Taylor & Francis
DOI: 10.1080/09500690701313995
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RESEARCH REPORT
Student-oriented versus Teacher- centred: The effect of learning at
workstations about birds and bird flight on cognitive achievement and
motivation
Heike Sturm* and Franz Bogner
University of Bayreuth, Germany
Taylor and Francis TSED_A_231300.sgm 10.1080/09500690701313995 International Journal of Science Education 0950-0693 (print)/1464-5289 (online) Original Article 2007 Taylor & Francis 00 0 0000002007 Mrs. HeikeSturm heike.sturm@uni-bayreuth.de
The study investigated cognitive and motivational effects of two educational interventions, a conventional versus a student-oriented approach. We monitored the impact on the cognitive achievement outcome and the motivation of students. Both approaches dealt with the subject of birds and bird flight; the student-oriented approach consisted of a unit based on workstations, and the conventional one was taught in a more teacher-centred manner. A total of 326 secondary school pupils of the highest stratification level participated in this study. By using a pre-test, post- test and retention-test design, both approaches were evaluated with the same empirical batteries (by applying a cognitive item set and the “Intrinsic Motivation Inventory”). The conventional approach provided higher achievement scores whereas the student-oriented approach showed a higher motivational rating. Comparing the student-oriented approach with and without introduc- tion, the group with introduction attained higher achievement scores. The results are discussed in terms of general expectations about the cognitive outcome in open learning environments and self- determination theory. Educational implications are drawn concerning the implementation of learning at workstations in school curricula.
Introduction
Student-oriented1 teaching at school is very often given priority by teacher in contrast to more teacher-centred lessons (e.g., Von Secker & Lissitz, 1999).
Conventional, teacher-centred instruction generally is seen as an information trans- fer from the teacher to the learner (Bonk & Cunningham, 1998; Kember & Gow,
*Corresponding author. Biology Didactics, University of Bayreuth, Universitätsstrasse 30, Gebäude NW I, Bayreuth 95440, Germany. Email: heike.sturm@uni-bayreuth.de
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1994). The desks are arranged in rows and most of the time students face in front of a board a teacher talking and questioning students while instructions are addressed to all learners (Cuban, 1983). Students simultaneously work on tasks by following a teacher’s direction (Daniels, Kalkman, & McCombs, 2001). In a student-oriented approach, the focus of the teacher and instruction moves to the student (Schuh, 2004). A lesson consists of more frequent student talks, of varied instructional materials, of student choices towards a subject matter, and of cooperative or group working scenarios (Cuban, 1983).
In an effort to sustain the vision of student-oriented teaching, we developed distinctive workstations on a standard middle school subject. Learning at worksta- tions is an educational approach, where students work cooperatively and autono- mously in small groups at various workstations. After a task of any workstation is completed, the individual group shifts to another workstation. Instructional materials and description of hands-on activities are provided at each workstation or given in workbooks leading the group members. The specific value of learning at workstations is that the students could work self-guided and at their own pace; they could choose the order of the workstations and the duration of engaging with a single workstation according to their interest (Hepp, 1996, 1999; Schaal & Bogner, 2005). Originally, the idea of workstations derived of the subject of physical education: The “circuit training” consists of stations with different physical activity-tasks (Hepp, 1999). In science lessons, the workstations may consist of any tasks that include hands-on, experiments; the objective is self-guided study of a subject matter. Learning at work- stations can be seen as one form of an open learning environment in terms of the method of instruction (Bauer, 2003; Hepp, 1999). Other aspects include the content (subject matter) and the “institutional openness”, both provided by the design of this study. Open learning environments can generally be regarded as highly student- oriented (Bauer, 2003).
Mainstream research in science education has largely focused on cooperative learning environments, while few studies have investigated learning effects and moti- vational aspects of learning at workstations. Most studies on cooperative and open learning environments reported an overall positive outcome: A meta-analysis of Lord (2001) reported for a mere 8% of 300 articles negative results of cooperative learning environments. In the main, students scored significantly higher in coopera- tive learning classes (Lord, 1997) and they are psychologically and physically health- ier than students taught in competitive classrooms (Johnson & Johnson, 1989; Slavin 1990; in Lord, 2001). Similarly, Iwon (1992) found higher achievement scores for students in learner-centred lessons compared with teacher-centred lessons. Beside cognitive effects, many studies also demonstrate affective outcomes of student- oriented learning environments. For instance, learner-centred approaches provide a significantly higher “well-being” than teacher-centred approaches (Randler &
Bogner, 2006; Schaal & Bogner, 2005); a similar result is obtained for the perceived value of the biological content’s personal meaningfulness (Schaal & Bogner, 2005).
Additionally, social skills and social competences were more easily trained in student-oriented lessons than in cooperative learning environments (Lord, 2001).
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40 Chang and Fisher (2001) found that the perception of an affirmative, favourable, and fulfilling learning environment tends to lead towards increased achievement scores.
Student-oriented approaches give learners a central focus and thus are the acting force. This requires motivated and self-directed learners (Lee, 2000). According to self-determination theory, motivation can be enhanced by autonomous support, by a feeling of competence and social relatedness (e.g., Deci & Ryan, 1993; Grolnick
& Ryan, 1989; Williams & Deci, 1996). Thus, the learning environment should maximise these three psychological needs. Learning at workstations might enhance autonomy, perceived competence, and social relatedness: students work in self- directed and autonomous fashion in small groups on learning stations (Bauer, 2003), and teachers shift their role from “instructors” to “supporters” of a learning process (Schaal & Bogner, 2005). From a logistic point of view, workstations are useful if media used in biological lessons exist only in one copy, which is often the case for models (models and hands-on activities are seen as a motivating factor in the learning process; Berck, 2001, p. 57). Thus, learning at workstations might enhance students’ motivation and interest, and might increase their cognitive achievement, as outlined above. However, recent studies have linked student- oriented learning environments not necessarily to an overall higher cognitive learn- ing outcome, but rather to conventional approaches (Randler & Bogner, 2002;
Schaal & Bogner, 2005). Potential reasons for those unexpected results could lie in the lack of experience in hands-on activities as well as open or learner-centred approaches, which as unfamiliar environments may cause anxiety and thus inhibit learning success (Kagan & Fasan, 1988; Bohl, 2001; Randler & Bogner, 2002).
Any specific introduction to the new learning environment may reduce this
“novelty factor” (Kubota & Olstad, 1991; Orion & Hofstein, 1994). This could consist of a prior lesson about the subject matter to create basic knowledge about the specific subject. To prepare the students to the specific type of learning envi- ronment, a short explanation of the learning situation may help to reduce the unfa- miliar feeling. Subsequent regular practice in student-oriented curricula might then help to extinguish the “novelty factor” and to train self-directed learning and social competences.
Many comparison studies of teacher-centred versus student-oriented learning environments have produced controversial results with no consistency in the expla- nation of effects of different learning environments with regard to achievement and motivation scores. This study does not intend to add to this controversy, but to maintain the ongoing discussion on the importance of the integration of student- oriented learning environments into conventional syllabi. Our educational approach dealt with the subject of bird flight. Usually, bird issues are taught in teacher-centred approaches with a few demonstrated experiments but without any hands-on activi- ties. However, theory of how “lift” is produced is difficult to understand: A common and simple explanation still builds on the Bernoulli principle, which does not correctly explain it in all aspects (Anderson & Eberhardt, 2001; for other explana- tions see, e.g., Anderson & Eberhardt, 2001; Weltner, 2001). Niermann (1989)
